新材料领域中的Ｓｍ－Ａｌ－Ｃｏ系Ｓｍ基三元块体非晶合金，特征：其成分范围为Ｓｍ↓［ｘ］（Ａｌ↓［５０－ｙ］Ｃｏ↓［５０＋ｙ］）↓［１００－ｘ］（ｘ＝５０～５８ａｔ．％，ｙ＝－１０～＋７ａｔ．％）；最佳非晶形成成分为Ｓｍ↓［５０］Ａｌ↓［２５］Ｃｏ↓［２５］；制备上述合金的方法是：配料、合金锭的非自耗电弧熔炼、稀土Ｓｍ挥发量的检查和补偿、块体非晶合金的铜模负压吸铸，其中采用的氩气压０．０６～０．０８ＭＰａ，电流密度范围１２０～１４０Ａ／ｃｍ↑［２］，负压吸铸气压差０．０４±０．００５ＭＰａ，得到直径为３ｍｍ的块体非晶合金。优点是：克服Ｓｍ基块体非晶组元多优化复杂，成分选取有随意性的不足，发展了新的Ｓｍ－Ａｌ－Ｃｏ系Ｓｍ基三元块体非晶合金体系，并确定出了最佳成分；有利于在此三元成分基础上发展四元以上Ｓｍ基块体非晶合金；对Ｓｍ挥发量检查和补充的方法减少了成分偏差。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及到一系列具有强非晶形成能力的Sm-Al-Co块体非晶合金，属于新材料领域。
技术介绍
非晶态金属合金是一类具有短程有序、长程无序结构特征的金属或合金，它们具有很高的综合力学性能和独特的物理化学性能。然而由于金属或合金非晶形成能力(即形成非晶态合金的能力)的影响，制备该类材料需要较高的冷却速率，一般的临界冷却速率在105K/s。以冷速从高到低为序，常用的急冷技术有熔体雾化、薄膜沉积技术以及铜辊急冷甩带机技术，材料形态常为低维材料如粉末、薄带等，其应用范围因此受到很大限制。从二十世纪九十年代初以来，以日本和美国为首，发现了一系列具有强非晶形成能力的合金成分，其中以Zr基最为易于制得，其临界冷却速率仅在1K/s量级，可以用铜模铸造和水淬等方法制备成三维块体材料，被称为块体非晶合金。块体非晶合金不仅具有较传统低维非晶合金更优异的机械和物理化学性能，同时，由于突破了尺寸束缚，它们有用作结构材料和功能材料的可能。此外，由于这类材料在其过冷液相区间内可实现精密快速成型，这种良好的工艺性能进一步拓展了其应用范围。目前，美国已将Zr基块体非晶合金用于高尔夫球具、医疗器械、穿甲弹头、卫星部件等多种领域，韩国的三星公司正在开发Zr基非晶合金的手机和MP3外壳。稀土金属基块体非晶合金是最近发展很快的一类非晶合金。由于稀土元素常具有特殊的磁性、光学等特殊物理化学性质，国外非常重视发展这些具有优良物理化学性能的稀土金属基块体非晶合金。日本开发了最早的La系稀土块体非晶合金，以及具有很好的磁学性能的Nd基、Pr基稀土块体非晶合金；中科院物理所则相继发展了具有自己知识产权的Ce基、Pr基、Er基等多种稀土基块体非晶合金。同这些稀土基块体非晶相比，稀土Sm基块体非晶虽然也有市场前景但是发展缓慢。一方面，由于Sm-Co系合金是目前应用最多的第二代稀土永磁材料，市场规模巨大，所以人们一直都在研究新型Sm基功能磁性材料。另一方面，由于对Sm基合金的非晶形成能力认识还不清楚，所以开发Sm基块体非晶合金进展缓慢，目前已知的能够制备出大尺寸的Sm基块体非晶合金的体系很少，都是四元以上的合金体系。因此，目前已知的第一种Sm基块体非晶是五元的合金，成分为Sm60Fe10Al10Co15Cu5(参考文献G.J.Fan，W.Loser，S.Roth and J.Eckert，Acta Materialia，48(2000)3823)，已成为Sm基块体非晶合金的典型成分。它采用压铸的方法获得了直径3mm的块体非晶合金。这种合金是在Sm-Fe-Al合金基础上采用Cu和Co去部分替代Al和Fe获得的，而Sm-Fe-Al合金本身并不能形成块体非晶合金。这种五元合金的缺点是①组元多成分优化复杂，导致很难在此成分基础上通过成分优化来提高合金的性能，组元多同时还提高了合金成本；②为了确定块体非晶合金的成分需要进行大量的试验，这必然存在一定的主观性和随意性；③由于Sm这种稀土金属本身在熔炼时易氧化烧损和挥发，使得合金成分容易偏离非晶成分，成分控制困难，这些都使得发展Sm基块体非晶合金变得相当困难。从现有的研究看，块体非晶合金都是多组元合金，成分是影响合金非晶形成能力的关键因素，成分的选择和控制至关重要。在特定的非晶形成体系中，具有最强非晶形成能力的合金具有确定的成分，如果偏离该成分，合金的非晶形成能力将大为降低。针对Sm基块体非晶合金的现状，本专利技术采用“块体非晶合金形成的电子浓度判据”设计合金，利用真空电弧熔炼和铜模吸铸的方法，并采取措施控制Sm氧化烧损和挥发，发展出新型的Sm基三元块体非晶合金。
技术实现思路
本专利技术的目的是要克服已有技术存在的①多组元体系中成分选择和优化复杂的困难；②依靠实验的经验模式寻找块体非晶合金成分，难以避免主观性和随意性；③Sm组元在熔炼过程中，易挥发难以控制的不足，提供以电子浓度判据开发新的Sm-Al-Co系Sm基三元块体非晶合金，确定其块体非晶合金的形成范围和最佳非晶成分，特提出本专利技术的技术解决方案。实现本专利技术的思路是，利用块体非晶合金形成的电子浓度判据确定出Sm-Al-Co合金系的非晶成分；然后根据设计成分的配比来配制合金原料，配料时需多加入一些Sm来补偿它在熔炼时的挥发；用非自耗电弧熔炼法，在氩气气氛保护下熔炼合金锭，以防止Sm的氧化；在熔炼时，还要进行成分检查，即利用天平测量合金锭的挥发失重，补足失重的Sm，以监控合金成分；最后利用铜模负压吸铸法制备出块体非晶合金棒，并确认非晶合金成分范围和最佳成分。本专利技术所提出的Sm-Al-Co系Sm基块体非晶合金，包括成分设计、熔炼制备，其特征在于a)Sm-Al-Co系Sm基三元块体非晶合金，包括Sm、Al和Co元素，其成分范围为Smx(Al50-yCo50+y)100-x，式中，x的取值范围为50at.％≤x≤58at.％，y的取值范围是-10at.％≤y≤+7at.％，at.％表示原子百分比；b)Sm-Al-Co系Sm基三元块体非晶合金，其最佳非晶形成成分为Sm50Al25Co25；c)制备Sm-Al-Co系Sm基三元块体非晶合金的方法，包括成分配比称量、熔炼、成分检查和吸铸，熔炼应分步进行，其步骤是第一步，备料按照设计成分中的原子百分比，转换成重量百分比wt.％，称取各组元量值，待用；其中，Sm要多加入2％的量，用来补偿合金熔炼时的挥发；而Sm、Al和Co元素的金属原料其纯度应为99％以上；第二步，Sm-Al-Co合金锭的熔炼将上述三种原料混合放在非自耗电弧炉的水冷铜坩埚内，在氩气的保护下进行熔炼，首先抽真空至10-2Pa，然后充入氩气至气压为0.06～0.08MPa，熔炼电流密度范围为120～140A/cm2，熔化后，再持续熔炼10秒钟，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新置于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼，如此反复熔炼至少3次，得到成分均匀的Sm-Al-Co合金锭；第三步，Sm-Al-Co合金锭成分检查用分析天平称量Sm-Al-Co合金锭的质量，将这个实际质量与备料时原料的质量进行比较，两者的差值为合金中Sm元素的挥发质量；如果Sm挥发的量小于2％内，那么该合金锭可以进行下一步工序；如果Sm挥发的量大于2％，那么需要补充已挥发的Sm元素的量值，并再按第二步的方法熔炼多次以保证合金锭成分均匀；第四步，Sm-Al-Co块体非晶合金制备将Sm-Al-Co合金锭，置于连有负压吸铸装备的水冷铜坩埚内，在氩气保护下用非自耗电弧熔炼法熔炼合金，首先抽真空至10-2Pa，然后充入氩气至气压为0.06～0.08MPa，熔炼电流密度范围为120～140A/cm2，熔化后，再持续熔炼10秒钟，断电，同时开启负压吸铸装置，气压差为0.04±0.005MPa，让合金熔体充入圆柱形铜模型腔中，冷却至室温，得到块体非晶合金。本专利技术的进一步特征在于在熔炼中，要补充已挥发的Sm元素的量值时，由以下两个步骤方法确定首先，计算平均每次熔炼合金锭时Sm的挥发质量，每次Sm的挥发质量＝Sm元素的挥发质量÷熔炼次数；然后，再补充Sm元素的挥发质量，其补充的量值＝Sm元素已经挥发的质量-预先多加入的Sm元素的质量+再熔炼多次合金锭时Sm的挥发质量，其中，再次熔炼合金锭是为了使合金锭和新加入的Sm本文档来自技高网...
【技术保护点】
Ｓｍ－Ａｌ－Ｃｏ系Ｓｍ基三元块体非晶合金，包括成分设计、熔炼制备，其特征在于：ａ）Ｓｍ－Ａｌ－Ｃｏ系Ｓｍ基三元块体非晶合金，包括Ｓｍ、Ａｌ和Ｃｏ元素，其成分范围为Ｓｍ↓［ｘ］（Ａｌ↓［５０－ｙ］Ｃｏ↓［５０＋ｙ］）↓［１００－ｘ］， 式中，ｘ的取值范围为５０ａｔ．％≤ｘ≤５８ａｔ．％，ｙ的取值范围是－１０ａｔ．％≤ｙ≤＋７ａｔ．％，ａｔ．％表示原子百分比；ｂ）本体系中最佳非晶形成成分为Ｓｍ↓［５０］Ａｌ↓［２５］Ｃｏ↓［２５］；ｃ）制备本体系合金的方法， 包括成分配比称量、熔炼、成分检查和吸铸，熔炼应分步进行，其步骤是：第一步，备料按照设计成分中的原子百分比，转换成重量百分比ｗｔ．％，称取各组元量值，待用；其中，Ｓｍ要多加入２％的量，用来补偿合金熔炼时的挥发；而Ｓｍ、Ａｌ和Ｃ ｏ元素的金属原料其纯度应为９９％以上；第二步，Ｓｍ－Ａｌ－Ｃｏ合金锭的熔炼将三种原料混合放在非自耗电弧炉的水冷铜坩埚内，在氩气的保护下进行熔炼，首先抽真空至１０↑［－２］Ｐａ，然后充入氩气至气压为０．０６～０．０８ＭＰａ，熔 炼电流密度范围为１２０～１４０Ａ／ｃｍ↑［２］，熔化后，再持续熔炼１０秒钟，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新置于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼，如此反复熔炼至少３次，得到成分均匀的Ｓｍ－Ａｌ－Ｃｏ合金锭；第三步，Ｓｍ －Ａｌ－Ｃｏ合金锭成分检查用分析天平称量Ｓｍ－Ａｌ－Ｃｏ合金锭的质量，将这个实际质量与备料时原料的质量进行比较，两者的差值为合金中Ｓｍ元素的挥发质量；如果Ｓｍ挥发的量小于２％内，那么该合金锭可以进行下一步工序；如果Ｓｍ挥发的量大于２ ％，那么需要补充已挥发的Ｓｍ元素的量值，并再熔炼多次保证合金锭成分均匀；第四步，Ｓｍ－Ａｌ－Ｃｏ块体非晶合金制备将Ｓｍ－Ａｌ－Ｃｏ合金锭，置于连有负压吸铸装备的水冷铜坩埚内，在氩气保护下用非自耗电弧熔炼法熔炼合金，首先抽真空 至１０↑［－２］Ｐａ，然后充入氩气至气压为０．０６～０．０８ＭＰａ，熔炼电流密度范围为１２０～１４０Ａ／ｃｍ↑［２］，熔化后，再持续熔炼１０秒钟，断电，同时开启负压吸铸装置，气压差为０．０４±０．００５ＭＰａ，让合金熔体充入圆柱形铜模型腔中，冷却至室温，得到块体非晶合金。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：董闯，吴江，王清，羌建兵，王英敏，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]
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